Почему значение атмосферного давления выражают в миллиметрах ртутного столба

Атмосферное давление

Атмосфера Земли — газовая оболочка, в состав которой входят азот, кислород, углекислый газ, водяные пары и другие газы.

Всякий газ, если он находится в сосуде, производит давление на стенки сосуда, так как молекулы газа непрерывно бомбардируют эти стенки. А производит ли давление атмосфера Земли? Чем обусловлено это давление?

Атмосфера Земли удерживается силой тяжести, действующей со стороны Земли. В результате действия этой силы верхние слои атмосферы давят на нижние. Поэтому нижний слой оказывается наиболее сжатым. Давление одного слоя атмосферы на другой по закону Паскаля передается по всем направлениям и действует на любое тело: на здания, на растения, на людей. Это давление называют атмосферным. Атмосферное давление по мере удаления от поверхности Земли уменьшается. Уменьшается толщина слоя воздуха, создающего давление, и его плотность.

Атмосферное давление можно рассчитать. Результаты этих расчетов не могут не удивлять. Атмосферное давление равно примерно \(100\:000 \frac<Н><м^<2>>\). Значит, на каждый квадратный сантиметр нашего тела действует сила \(10\:Н\), а на всю площадь поверхности тела (примем ее за \(1\:м^<2>\)) — сила \(100\:000\:Н\). Это равно весу десятитонного МАЗа! Как же мы живем под таким гигантским давлением?

Вспомним глубоководных рыб. Подобно им, мы просто не замечаем этой огромной сжимающей силы, так как она компенсируется равной расширяющей силой, создаваемой давлением воздуха внутри нас (он растворен даже в нашей крови).

Так что же, атмосферное давление вообще нельзя обнаружить? Для ответа на этот вопрос обратимся к опыту. Возьмем стакан с водой, накроем его листом бумаги, перевернем, придерживая рукой лист, а затем уберем руку. Мы видим, что вода из стакана не выливается, лист не отрывается. Сила атмосферного давления, приложенная к листу бумаги, компенсирует действие веса налитой воды и разреженного воздуха в стакане.

Опустите иглу шприца в подкрашенную воду и поднимайте поршень вверх. Вы увидите, что жидкость поднимается вслед за поршнем противоположно направлению действия силы тяжести. Сила атмосферного давления заставляет сок подниматься вверх по трубочке. Опытов, в которых проявляется действие атмосферного давления, много.

Как измерить атмосферное давление? Рассмотрим наиболее важный из опытов, проведенный в 1643 г. по предложению итальянского физика и математика Эванджелисты Торричелли.

В этом опыте запаянная с одной стороны метровая стеклянная трубка заполнялась ртутью. Верхний конец трубки закрывался, трубка переворачивалась и опускалась в широкий сосуд со ртутью, после чего отверстие открывалось. Часть ртути вытекала из трубки в сосуд. В трубке оставался столб ртути высотой \(H\) около 76 см (760 мм).

Что же удерживало от вытекания оставшуюся в трубке ртуть? Широкий сосуд и трубка — это, по сути, уже известные вам сообщающиеся сосуды. Над ртутью в трубке воздуха нет. На ртуть в широком сосуде действует атмосферное давление, которое жидкая ртуть передает по всем направлениям, в том числе вверх. Сила этого давления и поддерживает ртутный столб.

Рассмотрим условия равновесия тонкого слоя ртути. Это условие требует, чтобы сила атмосферного давления снизу и сила гидростатического давления столба ртути сверху были равны. А это значит, что \(p_ <атм>= p_<гидрост>\). Таким образом, измерив высоту столба ртути \(H\), мы можем рассчитать его давление по формуле \(p_ <гидрост>= gρH\) и тем самым определить величину атмосферного давления.

Поскольку атмосферное давление определяется высотой столба ртути, то понятно, почему очень часто его измеряют не в международных единицах (паскалях), а в миллиметрах ртутного столба.

Выразим в паскалях внесистемную единицу давления 1 миллиметр ртутного столба (сокращенно 1 мм рт. ст.): \[p_ <1\:мм\:рт.\:ст.>= gρh = 9,8 \frac<Н> <кг>\cdot 13\:600 \frac<кг><м^<3>> \cdot 0,001\:м ≈ 133\:Па.\]

По договоренности атмосферное давление считают нормальным, если оно равно давлению столба ртути высотой \(h = 760\:мм\) при температуре \(t\) = 20 °С. Такое давление называют одной нормальной, или физической, атмосферой (сокращенно 1 атм): \[1\:атм = 760\:мм\:рт.\:ст. = 101\:293\:Па.\]

В большинстве случаев мы будем использовать округленное значение: \(1\:атм ≈ 100\:кПа.\)

Атмосферное давление играет важную роль во многих бытовых и технических устройствах. Оно не только позволяет пользоваться пипеткой или шприцом для набора лекарств, но и дает возможность простого, недорогого способа подъема воды. Знакомые многим резиновые присоски используются как в быту, так и на заводах для переноса сложнейших узлов электроники, прикосновение к которым (даже в перчатках) совершенно недопустимо.

В середине XVII в. в немецком городе Магдебурге ученым Отто фон Герике был проведен опыт-спектакль. Из пространства между двумя одинаковыми медными полушариями был выкачан воздух. Для разрыва полушарий, т. е. для преодоления сил атмосферного давления, потребовалось 8 пар самых сильных лошадей. Разрыв сопровождался сильным хлопком, подобным звуку выстрела.

Основные сведения об атмосферном давлении

Атмосферное давление — это сила, с которой атмосфера давит на все предметы, находящиеся в ней и на земную поверхность.

Само слово «Атмосфера» означает пар и шар, то есть это газовая оболочка, окружающая нашу планету Земля.

Давление в каждой точке атмосферы определяется массой вышестоящего столба воздуха с основанием, равным единице.

Атмосферное давление с увеличением высоты уменьшается, так как над точкой располагается столбец воздуха с меньшей высотой и воздух начинается разряжаться.

Примерно на 10,5 метра подъема вверх атмосферное давление понижается на 1 мм. рт. ст. до высоты 2000 метров.

Как измеряют атмосферное давление

За единицу измерения атмосферного давления, согласно общепринятым нормам, принято брать миллиметры ртутного столба (сокращенно — мм. рт. ст.).

Для определения атмосферного давления используют прибор под названием барометр. Их подразделяют на ртутные, жидкостные и безжидкостные — механические и электронные.

Ртутный барометр представляют стеклянной трубкой, которая запаяна с одной стороны. Внутри данной трубки помещают ртуть. Во время эксперимента открытый конец трубки опускают в сосуд, который не полностью заполненный ртутью. В зависимости от того, как происходит рост или упадок давления, ртуть в трубке начинает расти, и наоборот.

Безжидкостный барометр — барометр-анероид, или механический барометр, как сейчас его называют, представляет собой металлическую круглую коробку, изготовленной из закаленной стали. При воздействии атмосферного давления на стенки коробки происходит их сужение или расширение.

Также существуют такие приборы для измерения давления как Гипсотермометр и Штормгласс.

Гипсотермометр измеряет атмосферное давление по температуре кипящей жидкости (обычно воды). Он более точен, чем барометр-анероид. Обычно он используется в экспедиционных условиях.

Штормгласс — это химический (или кристаллический) прибор, заполненный спиртовым раствором вперемешку с раствором камфора, нашатыря и калийной селитры. В определенные время года и условиях показатели такого барометра могут предвещать ветреную погоду, грозу, изменение направления ветра, дождь и снег.

Сегодня самым актуальным является безжидкостный механический барометр, но у него есть один недостаток — это воздействие температуры воздуха на его пружину. Так как металл при разных температурах может сужаться и расширяться.

В чем измеряется атмосферное давление

Единицей измерения в Международной системе единиц (СИ) является паскаль (обозначается как Па), в Российской Федерации допущены к использованию миллиметр водяного столба, метр водяного столба или, самые распространенные, бар и миллиметр ртутного столба.

Атмосферное давление называется нормальным, если при температуре 0 °C высота столба ртути равен значению 760 мм.

Как давление оказывает влияние на человека

Смена давления оказывает неблагоприятные последствия для метеозависимых людей, имеющих аллергию, признаки астмы и тех, у кого повышенное артериальное давление. Во время антициклона, когда наблюдается повышенное атмосферное давление, у человека происходит ухудшение самочувствия: начинает болеть голова, а также бывают сердечные боли. В такие периоды у людей падает работоспособность, появляется недомогание.

Во время циклона, когда наблюдается пониженное атмосферное давление, у человека может появиться одышка из-за снижения количества кислорода в воздухе, слабость, мигрень. Для метеочувствительного ребенка такие показатели давления могут плохо сказаться на здоровье.

В горах, когда атмосферное давление низкое, у человека наблюдается снижение работоспособности, так как воздух становится разреженным и в нем уменьшается содержание кислорода. Например, на высоте 3000 метров, где давление уменьшается примерно в два раза, человеку недостаточно кислорода, начинается кислородное голодание. Такое состояние называют «горной болезнью».

На 5000 метров уже может наблюдаться сильный недостаток кислорода, вследствие чего человек может потерять сознание. 6000 метров является наивысшей высотой для постоянных человеческих поселений. На высоте 8882 метров — высоте горы Эверест — человек может прожить несколько часов, если он приспособлен к таким высотам. Все, что выше этой высоты, является уже смертельной зоной для человека.

Примеры решения задач

Альпинисты поднимаются на гору, высота которой составляет 5200 метров. У подножия горы давление составляет 725 мм рт. ст. Какое атмосферное давление будет на вершине?

Рассчитать данную задачу можно, зная, что при подъеме на 10,5 метров давление снижается на 1 мм. рт. ст. Как таковой формулы для решения задачи не требуется.

1) 5200 : 10,5 = 495 (мм рт. ст.) — на столько снизится давление при подъеме.

2) 725 – 495 = 230 (мм рт. ст.) — давление на вершине.

Ответ: атмосферное давление на вершине горы — 230 мм рт. ст.

За бортом самолета давление 450 мм рт. ст., а у поверхности Земли давление 740 мм рт. ст. Определите высоту полета самолета.

1) 740 – 450 = 290 (мм рт. ст.) — разность в давлении.

2) 290 * 10,5 = 3045 (м) — высота полета самолета.

Ответ: высота полета самолета — 3045 метров.

У подножия горы барометр показывает давление 760 мм рт. ст., а на вершине 400 мм рт. ст. Вычислите высоту горы.

Миллиметры ртутного столба

Миллиметры ртутного столба — сложная единица измерения, предназначенная для измерения атмосферного давления. Используются в барометре.

Описание [ ]

Миллиметры ртутного столба — что это вообще значит? Откуда берутся эти цифры и как их получить? Получить их непросто, для этого нужен специальный прибор. А именно делаются две трубки, одна из которых закрыта, а другая — открыта. Наливается определённое количество ртути. Ртуть перекрывает доступ к выходу воздуха из закрытой части трубки. А теперь вспомним про атмосферное давление. Когда воздух давит на ртуть из открытой стороны, она как бы «перемещается» в ту часть трубки, где есть зажатый воздух. Поскольку ему деваться некуда, он сжимается и в определённый момент создаётся более сильное атмосферное давление от зажатого воздуха, которое уравновешивает внешнее атмосферное давление и положение ртути уравнивается. Ртуть из закрытой части трубки поднялась выше из-за увеличенного внешнего давления: поэтому и значение выросло. А на закрытой части трубки стоят обозначения — миллиметры над поверхностью трубки. Именно так измеряется давление. Нормой считается 760 миллиметром ртутного столба.